Nobela cēloņi

Džordža Smota telefons iezvanījās 3. oktobrī īsi pirms pulksten 3:00, un balss ar zviedru akcentu viņam teica, ka viņš ir ieguvis 2006. gada Nobela prēmiju fizikā. Bet kosmologs bija skeptisks.

Šo 14 miljardus gadus vecā starojuma temperatūras izmaiņu karti sauc par Visuma mazuļa attēlu. Tas arī nopelnīja Nobela prēmiju Džordžam Smotam '66, PhD '70. Lai skatītu Smoota un Endrjū Fīra (PhD '83), kurš arī ieguva 2006. gada Nobela prēmiju, fotogrāfijas, noklikšķiniet uz tālāk esošās multivides saites.

Galu galā viņa ģimenē valda tieksme uz ņirgāšanos. Olivers R. Smūts ‘62, kurš noteica Hārvardas tilta mērījumu standartu (364,4 smooti un auss), ir tāls radinieks. Un pats Smūts joprojām spilgti atceras, kā izspēlējis praktisku joku ar savu diplomdarba padomnieku, MIT fizikas profesoru Deividu Frišu. Pēc tam, kad strādāja nakts maiņā, Smūts un draugs izlikās, ka ir ielikuši vērtīgu osmija gabalu, lai tas ietilptu magnētā eksperimentam. Kad Frišs iegāja laboratorijā un ieraudzīja, ka apkārt mētājas metāla skaidas, viņš šausmās satvēra viņa sirdi, atceras Smūts. Tāpēc es biju noraizējies, kad saņēmu tālruņa zvanu nakts vidū, viņš saka. Es zinu, ka skolēni prot izjokot!

Taču zvans no Zviedrijas nebija nekāda palaidnība. Smoots un cits MIT absolvents Endrjū Z. Fīrs pievienojās 61 cita izcila absolventa, profesora un MIT filiāles grupai, kad katrs ieguva Nobela prēmiju 2006. gadā. Abi ir mainījuši veidu, kādā zinātne tiek veikta savās jomās.

Endrjū Z. Fire, PhD ‘83, ieguva balvu medicīnā, palīdzot atklāt detaļas par dabisko gēnu trokšņa slāpēšanas mehānismu, ko sauc par RNS traucējumiem. Lai gan revolucionārais atklājums tika veikts tikai pirms astoņiem gadiem, RNS traucējumu izraisīšana tagad ir izplatīta laboratorijas tehnika, kas palīdz biologiem precīzi noteikt atsevišķu gēnu funkcijas. Terapijas, kas izmanto RNS traucējumus, lai apkarotu cilvēku slimības, piemēram, makulas deģenerāciju, jau ir klīniskajos pētījumos.

Multivide

• Smoot and Fire fotoattēli

Džordžs Smūts ‘66, PhD ‘70, ieguva fizikas balvu. Viņš vadīja NASA COBE satelīta pētnieku grupu, kas veica pirmos kvantitatīvos Visuma sākotnējo apstākļu mērījumus. Smoota 1992. gada karte ar nelielām temperatūras svārstībām kosmiskajā starojumā, kas radās pirms aptuveni 14 miljardiem gadu, ir lielā sprādziena teorijas kūpošais lielgabals. Tiek uzskatīts, ka Smoota diagrammās norādītās minūšu svārstības norāda uz vietējo enerģijas koncentrāciju — sēklām —, ap kurām matērija saplūda galaktiku kopās, kas veido mūsdienu Visumu.

Gēnu trokšņa slāpētājs: Endrjū Uguns

Pirms 1998. gada noteikta gēna funkcijas noteikšana bija darbietilpīgs process, kura panākumus lielā mērā noteica veiksme. Pētnieki atklāja šūnas vai organismus ar mutētām gēna kopijām un no zaudētajām funkcijām secināja, ko dara parastais gēns. Vai arī viņi mēģināja izraisīt mutācijas šūnās laboratorijā — trāpījumu vai garām paņēmienu, kas cilvēka šūnās lielākoties netika izmantots. Tagad, pateicoties RNS traucējumu (RNAi) atklāšanai, biologi var būtībā izslēgt atsevišķus gēnus laboratorijā. Tas ir līdzīgs slēdža pārslēgšanai, lai dažām miljoniem spuldzēm mainītu krāsu.

Izpratne par RNS traucējumiem ir radikāli mainījusi veidu, kā mēs veicam šūnu bioloģiju un izprotam vai zondējam šūnas, saka Filips Šārps, MIT Vēža pētniecības centra institūta profesors un pats Nobela prēmijas laureāts. Mēs pārgājām no pozīcijas, kurā mums nav vispārējas pieejas gēnu funkciju izpētei, uz spēju apklusināt gēnu, lai jautātu, ko tas dara. Katrā žurnālā, kuru skatāties, vienā vai vairākos vai visos tā rakstos ir izmantota šī tehnoloģija. Tas tiešām ir bijis būtisks progress.

Fire, tagad Stenfordas Universitātes Medicīnas skolas patoloģijas un ģenētikas profesors, dala Nobela prēmiju ar Kregu Mello, tagad Masačūsetsas Universitātes Medicīnas skolas molekulārās medicīnas profesoru, par gēnu klusēšanas mehānisma atklāšanu.

Uguns nonāca MIT kā 19 gadus vecs absolvents, kurš ieguvis matemātikas specialitāti Kalifornijas universitātē Bērklijā. Piedaloties tajā, ko viņš sauc par Bērklija intelektuālo smorgasbord, viņš saskārās ar molekulāro bioloģiju un aizrāvās. Desmit gadus pirms Šarps ieguva Nobela prēmiju, Fire strādāja viņa laboratorijā MIT. Būdams students, Fire veica dažus svarīgus agrīnus pētījumus par gēnu ekspresijas kontroles bioķīmiju cilvēka šūnās, atceras Sharp. Tas aizsāka vēl 15 gadu darbu manā un citos laboratorijās.

Pirms Fire un Mello publicēja savu izrāvienu rakstu, bija zināms, ka RNS ir vairākas lomas, taču tā galvenokārt tika uzskatīta par DNS starpnieku, vēstnesi, kas pārvērš gēnus proteīnos. Tomēr pētnieki zināja, ka, injicējot organismā, RNS dažkārt var novērst proteīnu un klusuma gēnu ražošana.

Taču šo parādību nevarēja droši reproducēt, tāpēc nebija skaidrs, kāda RNS forma par to ir atbildīga. Vai tā bija sajūtu RNS, kas seko ziņojuma RNS secībai, kas kodē konkrētu proteīnu? Vai tas bija sajūtu RNS komplements, antisense RNS? Vai arī tā bija abu divu pavedienu kombinācija?

Fire un Mello sadarbojās virknē stingru eksperimentu, izmantojot nematodes tārpu, ko sauc C. elegans lai noteiktu, vai jēga, antisense vai divpavedienu RNS izraisīja gēnu klusēšanu. Lai no testa subjektiem iegūtu spēcīgus, redzamus signālus, viņi strādāja ar gēnu, kas palīdz uzturēt normālas muskuļu kontrakcijas C. elegans : ja gēns tiktu apklusināts, tārpi raustītos. Kad pētnieki injicēja tārpus ar tīru sajūtu vai tīru antisensu RNS, nekas nenotika. Bet, kad viņi injicēja divpavedienu RNS, tārpi raustījās. Uguns un Mello secināja, ka RNS ir jābūt divkāršai, lai apklusinātu gēnu.

Pāris publicēja šos rezultātus kopā ar citiem novērojumiem par RNSi Daba 1998. gadā. Šārps saka, ka izpratne, ka divpavedienu RNS bija klusēšanas atslēga, ir iemesls, kāpēc viņi saņēma [Nobela] prēmiju. Turpmākie pētījumi, ko veica Fire, Mello, Sharp un citi, noteica RNSi molekulāro darbību, kas tagad, kā zināms, notiek lielākajā daļā organismu.

Cilvēkiem, citiem dzīvniekiem un pat augiem RNS parasti atrodas atsevišķu pavedienu veidā. Uguns un citi šajā jomā strādājošie uzskata, ka RNAi, iespējams, attīstījās kā aizsardzība pret vīrusiem. Kad šūna redz divpavedienu RNS, tās pirmā reakcija ir to sadalīt bitos, kas ir saprotams, ņemot vērā, ka vīrusu replikācijas laikā [bieži vien] ir divpavedienu [vīrusu] RNS, skaidro Fire.

Bet šūna iet vienu soli tālāk. Tas ne tikai vēlas sasmalcināt materiālus, bet arī iet un atrast visu, kas tam līdzīgs, ja tam trūkst RNS. Tātad [molekula] šūnā paņem RNS gabaliņus, kas ir sasmalcināti, un meklē līdzīgas lietas. Ja tas kaut ko atrod, tas to sasmalcina.

Tas varētu būt pašas šūnas ziņojuma RNS. Kad tā vēstnesis tiek iznīcināts, gēns tiek apklusināts.

Teorētiski, saka Šarps, RNSi var apklusināt jebkuru gēnu - no iebrūkoša vīrusa gēniem līdz gēnam, kas liek proteīnam izraisīt Parkinsona slimību. Tas padara to terapeitiski daudzsološu. Sharp un citi pētnieki ir nodibinājuši uzņēmumus, lai komercializētu RNSi zāles. Ja jūs varētu nogādāt RNS līdz mērķim [audiem], jums varētu būt dažas patiešām lieliskas terapijas, saka Fire.

Alnylam, uzņēmums Sharp, kas līdzdibināts Kembridžā, MA, tagad veic elpceļu vīrusa RSV zāļu klīniskos izmēģinājumus; Gan Filadelfijas Acuity Pharmaceuticals, gan Sanfrancisko Sirna Therapeutics veic makulas deģenerācijas zāļu klīniskos pētījumus.

Fire patīk skatīties šos pasākumus, taču tikai kā karsējmeitenei, viņš saka. Viņš turpina pētīt gēnu klusēšanas molekulāro darbību savā laboratorijas iecienītākajā testa priekšmetā, C. elegans .

RNAi ir izrādījies arī mehānisms, ko šūnas parasti izmanto, lai kontrolētu savu gēnu darbību. Viktors Ambross ‘75, PhD ‘79 un Rosalind Lee ‘76 atklāja, ka RNS ir galvenā loma dzīvnieku attīstības kontrolē; pētnieki ir atklājuši daudzus gēnus, kas kodē divpavedienu RNS, un tagad tiek uzskatīts, ka šo RNS iejaukšanās ir atbildīga par 30 procentu cilvēka genoma regulēšanu.

Mūsdienās Fire ir vērsta uz saikņu nodibināšanu starp gēnu klusēšanu un cilvēku slimībām. Viņš saka, ka daudzi gēni vēža gadījumā tiek apklusināti. Tas ir zināms jau labu laiku. Pašlaik viņš strādā ar Stenfordas patologiem, lai saprastu, kā RNS regulējošo procesu traucējumi veicina slimības.

Kosmiskais kartogrāfs: Džordžs Smūts

Džordžs Smūts nevēlējās būt par laikapstākļu ziņotāju vai karšu veidotāju. Taču 1992. gadā viņš iegāja kartogrāfijas vēsturē, kad izveidoja pirmo jaunā Visuma karti, kartējot nelielas 14 miljardus gadus vecā starojuma temperatūras svārstības. Šī kosmiskā mikroviļņu fona jeb CMB variācijas sniedz astrofiziķiem norādes par to, kā veidojās sarežģītas struktūras, piemēram, galaktikas.

Fizikas profesors Kalifornijas Universitātē Bērklijā Smoots dala Nobela prēmiju fizikā ar Džonu Materu no NASA Godāras kosmosa lidojumu centra par darbu pie CMB, kura pastāvēšana atbalsta lielā sprādziena teoriju.

Andželika de Oliveira-Kosta, tagad pētniece MIT Kavli Astrofizikas un kosmosa pētījumu institūtā, pievienojās Smoots laboratorijai Bērklijā kā maģistrantūra gadu pēc tam, kad Smoots paziņoja par savu karti. Viņa saka, ka daļa no tā, kas padara viņu par pirmšķirīgu fiziķi, ir tas, ka viņam ir laba acs uz labām idejām un viņš nebaidās no pārmaiņām.

Smootu vienmēr ir piesaistījusi kosmoloģija, taču viņš pabeidza darbu daļiņu fizikā un sāka strādāt pie Luisa Alvaresa, Nobela prēmijas laureāta šajā jomā Bērklijā. Starp projektiem Alvaress saviem darbiniekiem lika paņemt dažus mēnešus atvaļinājumu un izpētīt jaunas auglīgas pētniecības jomas. Smūts izmantoja iespēju pāriet uz kosmoloģiju, pieņemot Alvaresa filozofiju kā savu: kad esat pabeidzis eksperimentu, neveiciet nākamo tikai automātiski. Jums vajadzētu redzēt, vai ir kāds jauns atklājums vai tehnoloģija, kas ļaus veikt mērījumus daudzsološā apgabalā.

Smotam kosmiskā mikroviļņu fona izpēte bija tieši tāda joma — pievilcīga un plaši atvērta. Viņš saka, ka viņam bija intuīcija, ka neatkarīgi no tā, ko jūs mērīsit, tas būs fundamentāls mērījums, un viņam bija taisnība. De Oliveira-Kosta par saviem trim Smootas laboratorijā pavadītajiem gadiem saka: Zinātniski tas bija viens no labākajiem laikiem manā dzīvē. Katrs mazākais jūsu atklājums bija jauns.

CMB tika atklāts pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, un to paredzēja lielā sprādziena teorija. Starojums nāk nevis no vietas Visumā, bet gan no a laiks drīz pēc Visuma veidošanās. Kad mēs atskatāmies uz radiāciju, mēs atskatāmies uz laiku Visumā, kad viss bija karsts un blīvs kā plazma mūsu saulē, skaidro Edmunds Bertšingers, MIT Fizikas nodaļas astrofizikas nodaļas vadītājs. Paplašinoties Visumam, tas atdzisa, tāpat arī CMB, kas tagad ir tikai aptuveni 2,7 grādus virs absolūtās nulles. Viņš saka, ka mēs redzam šo atspīdumu mūsu radioteleskopos pēc miljardiem gadu.

CMB fotoni nodrošina kaut ko līdzīgu Visuma fotogrāfijai aptuveni 370 000 gadu pēc lielā sprādziena, kad tas atdzisa līdz aptuveni 3000 °C, atbrīvojot daļiņas, veidojot pirmos atomus. Līdz tam Visums bija necaurspīdīga, augstas enerģijas plazma; fotoni tika iesaistīti karstā un intīmā sarunā ar subatomiskām daļiņām, piemēram, elektroniem. Kad Visums atdzisa un veidojās atomi, fotoni, tostarp tie, kas veido CMB, pirmo reizi varēja brīvi pārvietoties.

Kad Smoot sāka strādāt pie CMB, tā precīzs spektrs nebija zināms, un šķita, ka tai ir pilnīgi vienāda enerģija. Šī vienveidība liecināja par agrīnu Visumu, kurā enerģija un matērija tika sadalīti viendabīgi — scenārijs, kas acīmredzot nav savienojams ar mūsdienu daudzveidīgo un sarežģīto Visumu. Kā zvaigznes, kas sagrupētas galaktikās, kas sagrupētas galaktiku kopās, kuras ieskauj lieli tukšumi, varēja izkļūt no agrīnā Visuma, kur matērija tika izkliedēta tikpat gludi kā glazūra uz kāzu tortes? Lai lielā sprādziena teorija pastāvētu, agrīnajā Visumā bija jābūt gabaliem, uz kuriem varētu darboties kvantu mehāniskie spēki un pēc tam gravitācija, galu galā izraisot galaktiku un citu struktūru veidošanos.

Meklējot šo nelīdzenumu, daudzas grupas, tostarp Smoot’s, nosūtīja starojuma detektorus uz baloniem un pat spiegu lidmašīnās uz augstumu, kur CMB gandrīz pilnībā nefiltrē Zemes atmosfēra. Tikmēr citi aprēķināja, kāds agrīnā Visuma enerģijas svārstību līmenis būtu ļāvis veidoties gabaliņiem vai sēklām. Smoots pievienojās NASA Matera vadītajai grupai, kas strādāja, lai orbītā nonāktu jutīgs, starojumu detektors pavadonis COBE (Cosmic Background Explorer). Līdz brīdim, kad COBE tika palaists 1989. gada 18. novembrī, astrofiziķi bija noskaidrojuši, ka ļoti niecīgas CMB variācijas — tikai grāda simttūkstošdaļās — norāda uz agrīnu Visumu, kas ir pietiekami daudzveidīgs, lai radītu pašreizējo.

Smoots bija atbildīgs par sešu COBE instrumentu grupu, ko sauc par diferenciālajiem mikroviļņu radiometriem, kas meklēja temperatūras svārstības, ko sauc par anizotropiju CMB. Virs Zemes orbītā COBE bija netraucēta CMB uztveršana visos virzienos. Smoots un viņa Bērklija komanda analizēja gada garumā veiktos temperatūras mērījumus — miljonus —, meklējot anizotropiju; Kad šķita, ka viņi to atrada, viņi strādāja, lai pārliecinātu sevi, ka tas nav saistīts ar COBE instrumentu radīto troksni.

1992. gadā Smoot paziņoja, ka COBE ir atradis simttūkstošdaļas CMB enerģijas atšķirības. Viņa karte ar šīm variācijām, kas aptuveni parāda, kuri plankumi agrīnajā Visumā bija nedaudz siltāki un kuri bija nedaudz vēsāki, tika saukti par Visuma mazuļa attēlu. Viņš saka, ka pārsteidzošais ir tas, ka Visums ir gandrīz pilnīgi viendabīgs. Tā ir vienveidīgāka nekā biljarda bumba. Smoots saņēma pusi no Nobela prēmijas par darbu kartē; Mather tika pagodināts par COBE projekta vadīšanu un CMB spektra mērīšanu.

Astrofiziķi saka, ka Smoota un Matera paziņojums par COBE rezultātiem bija pagrieziena punkts kosmoloģijā, kad filozofiskās spekulācijas par Visuma izcelsmi kļuva par zinātni, kas balstīta uz kvantitatīviem pierādījumiem. Pēc tam Smoota karte tika pārbaudīta, veicot papildu eksperimentus ar baloniem, un kopš tā laika tā ir uzlabota ar jutīgākiem mērījumiem no WMAP, NASA satelīta, kas joprojām atrodas orbītā. Bertšingers Smootu un citus COBE zinātniekus salīdzina ar pētniekiem, kas atrod jaunus kontinentus. Viņš saka, ka vispirms atrodiet kontinentus un pēc tam izpētiet piekrastes līnijas un padariet savas kartes arvien izsmalcinātākas.

CMB karte izraisīja tik lielu entuziasmu, ka Smoots uzrakstīja grāmatu, Grumbas laikā , lai parādītu jauniešiem, ka būt zinātnē varētu būt piedzīvojums, viņš saka. Tagad, kad viņš ir ieguvis Nobela prēmiju, Smūts tikai puspajokam saka, ka izjūt vēl lielāku spiedienu kļūt par zinātnes vēstnieku. Agrāk es biju ārpus likuma, vienmēr gāju uz fizikas nomalēm, izmēģināju dīvainas lietas, būdams dumpīgs, viņš atceras.

Visumā, ko uzskata par 96 procentiem noslēpumainas tumšās vielas un tumšās enerģijas, ir daudz jaunu un dīvainu teritoriju, ko izpētīt. Man ir astoņu jautājumu saraksts, kas, manuprāt, ir patiešām svarīgi, viņš saka (skatiet zemāk esošo Smoot sarakstu) . Kādu dienu Smoots plāno izveidot kosmoloģiski fizikas centru, lai tos risinātu. Bet pagaidām tie ir ložu punkti viņa lekcijās, un kosmisko karšu veidotājs šo sarakstu piestiprina pie sienas.

Smoota saraksts
Astoņi kosmoloģijas jautājumi, kas neļauj Džordžam Smotam naktīs nomodā

1. Vai notika inflācija1? Kā?

2. Kas ir tumšā matērija?

3. Kas ir tumšā enerģija?

4. Kāpēc Visumā matērijas ir vairāk nekā antimatērijas?

5. Vai ir atrodamas citas relikvijas2 (piemēram, kosmiskās stīgas)?

6. Vai ir papildu3 izmēri?

7. Vai fundamentālās konstantes atšķiras?

8. Kādi vēl varētu būt eksotiski spēki?

————————————————————––

1 jaunā Visuma eksponenciālā paplašināšanās

2 no jaunā Visuma

3, t.i., vairāk nekā četri (trīs telpiskās dimensijas un laiks)

paslēpties